Относительная фазовая манипуляция - метод повышения надежности передачи информации

Олег Головин

Николай Тимофеевич Петрович, доктор технических наук, профессор МТУСИ, родился в 1915 г. в Минске. Когда учился еще в школе, соорудил первый детекторный приемник с катушкой почти полуметрового диаметра, с витками из печной проволоки и конденсатором из старой кастрюли. Затем окончил Минский техникум связи, и наконец сбывается его мечта: он студент Московского института связи. В молодости он увлекался альпинизмом. После получения диплома с десяток лет посвятил разработке каналов управления ракетами и бомбардировщиками. Это подтолкнуло его к изобретению нового метода передачи сигналов - относительной фазовой манипуляции (ОФМ), нашедшей широкое применение в технике связи.

Затем читал лекции студентам и аспирантам, увлекая их романтикой науки. Вырастил 28 кандидатов технических наук. Является автором многих изобретений и публикаций, в том числе двух десятков научных и научно-популярных книг. В своих книгах Н. Т. Петрович рассказывает, как можно бороться с помехами в земных и космических каналах связи; раскрывает творческие методы в технике, доказывая, что "...каждый может творить новое, и все можно усовершенствовать"; наводит радиомосты между очагами разума в нашей Галактике, являясь участником ряда международных конференций по проблеме контакта с внеземными цивилизациями. Им предложена своя методика поиска сигналов инопланетян, закрытых в шумах.

Профессор уверен, что мудрая эволюция в каждом гомо сапиенс запрятала наполненный серебром и златом "творческий ящик", требующий, как аккумулятор, подзарядки. Свой "ящик" Николай Тимофеевич со студенческих лет заряжает горным солнышком, красотой сверкающих вершин и динамикой движения к ним. Последнюю свою книгу "Тайна внеземных цивилизаций" (1999 г.) мастер спорта по альпинизму Н. П. Петрович писал, по его собственным словам, разложив листочки бумаги на толстенной подошве Эльбруса. Главу "Когда же будет контакт?", к сожалению, унес ветер с гор. Но автор продолжает работать над этой темой.

Классическая фазовая манипуляция и явление "обратной работы"

Первое отечественное исследование возможности использования фазовой манипуляции (ФМ) в каналах связи выполнено А. А. Пистолькорсом в 1932 г. Затем ФМ исследовалась Д. В. Агеевым и В. И. Сифоровым. В этих работах было показано преимущество ФМ перед частотной манипуляцией (ЧМ) и предложен ряд схем детекторов ФМ-сигналов. Наиболее известная и остроумная из них - "схема Пистолькорса": сигнал ФМ на приеме возводится в квадрат, в результате устраняется манипуляция, но в два раза повышается частота, которая затем вдвое понижается делителем, что и образует опорное колебание, необходимое для определения ФМ-сигналов.

Однако экспериментальное исследование схем детектирования ФМ-сигналов (В. И. Сифорова, Д. В. Агеева, Джона Костаса и др.) вскрыло в них явление "обратной работы". Его суть состоит в том, что в случайные моменты времени нарушается нормальный прием сигналов ФМ и наступает "обратная работа": все посылки "1" на выходе детектора превращаются в посылки "0", а посылки "0" - в посылки "1". В некоторый случайный момент нормальный прием восстанавливается до следующего наступления "обратной работы" и т. д.

Это явление задержало на многие годы использование ФМ в каналах связи и вызвало ряд предложений по борьбе с "обратной работой", в том числе такие: выполнить манипуляцию сигнала на угол, меньший 180°, а появляющийся при этом остаток несущей в спектре сигнала ФМ использовать для формирования опорного напряжения; добавить пилот-сигнал для формирования опорного сигнала; ввести в каждую кодовую комбинацию избыточный символ для обнаружения и исправления "обратной работы" и др. Однако все эти действия нивелировали преимущества ФМ перед ЧМ, требовали более сложной аппаратуры и потому применения не нашли.

Вместе с тем в 1946 г. В. А. Котельников в своей докторской диссертации "Теория потенциальной помехоустойчивости" строго доказал, что сигнал ФМ с манипуляцией на 180° является наилучшим способом передачи двоичных сигналов и достигаемая при этом потенциальная помехоустойчивость не может быть превзойдена никакими другими методами передачи. Несомненно, исследования В. А. Котельникова послужили стимулом для дальнейших поисков путей внедрения ФМ-сигналов в системы передачи информации.

Относительная фазовая манипуляция

В результате безуспешных поисков новых схем детекторов ФМ-сигналов и изучения явления "обратной работы" Н. Т. Петрович пришел к выводу о невозможности однозначно установить по принимаемому ФМ-сигналу опорное неманипулированное напряжение, необходимое для его определения. Сигнал ФМ несет в себе неопределенность фазы - при однократной ФМ возможны два значения фазы, при двукратной - четыре и т. д. Это привело Н. Т. Петровича к отказу формировать при детектировании единое опорное колебание. Он показал, что такое опорное колебание есть в самом ФМ-сигнале, т. е. в каждой посылке, предшествующей принимаемой. Этот очевидный факт первым и подметил Петрович. Как он рассказывает, озарение пришло в очереди в... баню. Он сидел на провалившемся диване, свет электрической лампочки еле пробивался сквозь пар, и на полях газеты Николай Тимофеевич рисовал варианты ФМ-сигналов и ФМ-детекторов.

Рис. 1. Метод ОФМ

Для реализации идеи надо было на передаче изменить метод манипуляции: фаза излучаемой посылки должна отсчитываться от фазы предшествующей посылки. Так как в основе метода лежит относительный отсчет фазы, то метод был назван относительной фазовой манипуляцией (ОФМ); в литературе применяется и его второе название - относительная фазовая телеграфия (ОФТ). Кратко сформулируем суть этого метода. ОФМ - это способ передачи дискретных сигналов, при котором при передаче фаза каждой N-й посылки отсчитывается от фазы предшествующей ей (N - 1)-й посылки, а при приеме знак принимаемой посылки определяется сравнением фаз каждой N-й посылки с фазой (N - 1)-й посылки. Таким образом, при ОФМ устанавливается полная однозначность фаз между опорной и несущей информацию посылками и устраняется явление "обратной работы". Очевидно, что в начале сеанса связи для передачи первой информационной посылки необходима передача одной избыточной посылки, по которой отсчитывается фаза первой информационной посылки.

Упрощенная структурная схема системы связи с ОФМ показана на рис. 2, а используемые в системе посылки - на рис. 1, где стрелки поясняют процесс сравнения их по фазам. При передаче может быть принято, например, такое правило: при передаче посылки "1" фаза передаваемой посылки должна совпадать с фазой ей предшествующей, а при передаче посылки "0" она должна быть сдвинута от фазы ей предшествующей на 180°.

Рис. 2. ОФМ на основе сравнения фаз

Кроме схемы определения сигналов ОФМ, показанной на рис. 2, получившей название сравнение фаз, была изобретена и другая схема - сравнение полярностей. Оказалось, что сравнение при приеме N-й и (N - 1)-й посылок можно производить и после их определения. На помощь приходит одна из схем формирования опорного напряжения из ФМ-сигнала, о которых говорилось выше. Эти схемы вполне можно применить и к сигналу ОФМ: "обратная работа" устраняется сравнением посылок на выходе детектора. При "обратной работе" знаки и предшествующей, и данной посылок изменяются на обратные и их сравнение на выходе детектора дает правильный результат. На рис. 3 показана схема приема по методу сравнения полярностей, в которой для создания опорного напряжения используется схема Пистолькорса. Поскольку удвоение частоты устраняет манипуляцию фазы, то возможна узкополосная фильтрация опорного сигнала, уменьшающая действие помех. Полоса фильтра не должна быть очень малой: нужно, чтобы опорное напряжение следило за медленными флуктуациями фазы в среде. При возникновении "обратной работы" скачок фазы опорного напряжения вызовет искажение не более двух посылок.

Рис. 3. ОФМ на основе сравнения полярностей

Предложенный Н. Т. Петровичем принцип построения систем связи на основе сравнения посылок, на котором базируется ОФМ, имеет более общее значение и может быть применен к амплитудам, частотам, поляризации и другим параметрам посылок. Ценность принципа в том, что он как бы трансформирует канал связи с переменными параметрами в канал с почти постоянными параметрами, так как на отрезке двух сравниваемых посылок заметных изменений в среде распространения не происходит (при достаточно коротких посылках), а сигнал несет в себе необходимую информацию для его детектирования.

Эксперты отвергают ОФМ

Автор ОФМ рассказывал, что, как это заведено в научном мире, эксперты тут же отвергли авторскую заявку на метод передачи ОФМ. Они утверждали, в частности, что сбой одной посылки приведет к сбою всех последующих, хотя автор доказывал, что при искажении фазы одной посылки исказиться может не более двух. Другое утверждение строилось на том, что фаза сигнала "болтается" в среде распространения, особенно в ионосфере, как овечий хвост, и о передаче сигналов фазовым методом не может быть и речи. Доказательства автора (расчетные и экспериментальные) о медленном изменении фазы в интервале длительности двух посылок, на которых идет сравнение фаз, не убеждали.

Рис. 4. Зависимость вероятности ошибки P(N) от соотношения сигнал/шум для различных видов манипуляции

Один эксперт даже сказал, что ОФМ вообще работать не будет. И демонстрация первого лабораторного макета (он делался подпольно и сегодня напоминал бы ихтиозавра) с магнитной записью предыдущих посылок на большом диске диаметром 15 см, вращаемом мотором, убедили его с трудом. Увидев мотор, он воскликнул: "Мотор в приемнике! Не пойдет! Его помехи загубят любой сигнал!" Хочется отметить, что первым, кто оценил работоспособность и возможности ОФМ, был Виктор Семенович Мельников.

В конце концов после двух лет борьбы было выдано авторское свидетельство с приоритетом от 22 февраля 1954 г. Кстати заметим, что первая публикация о системе "Кинеплекс", где была применена относительная манипуляция фазы, появилась в США в мае 1957 г.

Первые натурные испытания ОФМ

Лабораторные испытания первых макетов для передачи сигналов ОФМ при действии флуктуационных помех полностью подтвердили теоретические расчеты и преимущества нового метода по сравнению с передачей сигналов ЧМ. Из рис. 4 следует, что по вероятности ошибок (Р) ОФМ превосходит ЧТ и несколько уступает ФМ. При этом в схеме сравнения полярностей такая вероятность немного меньше, чем в схеме сравнения фаз. Этот эффект объясняется введением узкополосного фильтра в цепи формирования опорного сигнала (см. рис. 3).

Первые макеты ОФМ разрабатывались для КВ-диапазона, и судьбу нового метода должны были решить натурные испытания на типичных декаметровых трассах. Н. П. Петрович рассказывал, что творческий подъем и волнение охватили всех, кто готовил макеты к испытанию. Постоянно задавались вопросы: "Что скажет ионосфера? Действительно ли фаза сигнала медленно меняется за время двух посылок?" Первые сигналы путешествовали по ионосфере от Хабаровска до Ватутинок Московской области, чередуя ОФМ и ЧМ. Оба канала работали нормально. Но по мере снижения мощности передатчика в Хабаровске ЧМ стало чаще давать сбои сигналов, а потом и вовсе начало печатать абракадабру, в то время как ОФМ хоть и с ошибками, но выдавало разборчивый текст. Изобретатель ОФМ вспоминает, что все пустились в пляс, обнимались, целовались. Это был настоящий бал, царицей которого была ОФМ.

Испытания на двух КВ-трассах дали следующие результаты. На трассе Хабаровск - Москва при скорости работы 50, 300, 500 бод отношение вероятностей ошибок, усредненное за многие сеансы связи (Рчм/Рофм), равнялось соответственно 1,4; 4; 6. На трассе Москва - Севастополь при скорости работы 500 и 1000 бод Рчм/Рофм составило 2 и 5. Для приема сигналов ОФМ была использована схема сравнения полярностей. Формирование опорного сигнала проводилось по схемам Пистолькорса, Сифорова, Костоса. Практически они дали одинаковые результаты. Специально измерялись ошибки при попадании помех от соседних станций. Сеансы связи ЧМ и ОФМ сменяли друг друга, были непродолжительны, чтобы сохранить условия прохождения радиоволн, и многократно повторялись. Суммируя полученные результаты, можно утверждать, что на протяженных КВ-трассах в зависимости от условий связи ОФМ снижает вероятность ошибок по сравнению с ЧМ в 2-5 раз.

Дальнейшее развитие ОФМ

Совершенствуя ОФМ, Н. Т. Петрович разработал ряд оригинальных детекторов для ОФМ-сигналов: детектор деления сигналов ОФМ, спектральный детектор, видеодетектор и др. На ее основе им изобретен и исследован ряд новых методов передачи: относительная частотно-фазовая манипуляция (ОЧФМ), трехпозиционная относительная фазовая манипуляция (ТОФМ), передача с помощью фигур Лиссажу, относительная фазовая манипуляция двухчастотная (ОФМД). Из описанных методов наибольшее применение нашла относительная фазовая манипуляция, по праву дополнившая классические методы передачи дискретных сигналов АМ и ЧМ. ОФМ вошла в учебники, изучается студентами используется в наземных, космических и даже гидроакустических системах связи.

Список литературы

Петрович Н. Т. Новые способы осуществления фазовой телеграфии. Радиотехника, 1957, № 10.

Петрович Н. Т. Передача и приём дискретных сигналов на основе сравнения элементарных посылок. Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук. М., ИРЭ АНССР, 1959.

Петрович Н. Т. Способ проводной и радиосвязи фазо-манипулированными колебаниями. А. с. 105692, приоритетот 22.02.54.

Doels M. Z., Heald E. T., Martin D. Z. Binary data transmission techniques for linear system. Proc. IRE, 1957, May, № 5.

Петрович Н. Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией. М., Советское радио, 1965.